[논문]돌고래 휘슬음을 모방한 frequency shift keying 수중통신기법의 다중경로결합 수신 방법

안종민; 이호준; 김용철; 김완진; 정재학

doi:10.7776/ask.2018.37.6.404

돌고래 휘슬음을 모방한 frequency shift keying 수중통신기법의 다중경로결합 수신 방법
Multipath combining method for frequency shift keying underwater communications mimicking dolphin whistle 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.37 no.6, 2018년, pp.404 - 411

안종민 (인하대학교) , 이호준 (인하대학교) , 김용철 (인하대학교) , 김완진 (국방과학연구소) , 정재학 (인하대학교)

초록
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본 논문은 수중에서 은밀성을 확보하기 위해 FSK(Frequency Shift Keying)를 이용하여 돌고래 휘슬음을 모방하는 통신 기법과 다중경로 결합 이득을 이용하여 BER(Bit Error Rate) 성능을 높이는 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 휘슬음을 짧은 시간 구간으로 나누고 그 구간에 심볼의 직교성을 보장하는 FSK 변조신호를 만든다. 그리고 휘슬음을 모방할 때 다중경로 채널에서 심볼간의 ISI(Inter Symbol Interference)가 줄어드는 특징을 이용하여 다중경로 결합 이득을 얻는 방법이다. 제안한 방법의 성능을 보이기 위해 전산모의실험과 실제 호수실험을 진행하였다. 전산모의실험을 통해 다중경로에 의해 추가적인 다중경로 결합 이득이 발생함을 보였다. 호수 실험에서는 제안된 FSK 방법이 20 msec의 심볼 길이와 900 Hz의 변조 대역을 갖는 경우 다중경로 결합 이득을 얻어 0.002의 BER갖고 0.185의 BER을 갖는 CSS(Chirp Spread Spectrum)보다 우수함을 보였다. 그리고 모방한 신호와 실제 휘슬 신호의 시간-주파수 영역에서 평균 상호 상관 값을 통해 모방도를 분석하여 제안된 FSK방법이 CSS방법에 비해 높은 모방도를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a dolphin whistle mimicking underwater communication method using FSK (Frequency Shift Keying) and method to improve BER (Bit Error Rate) performance by using multipath gain combining. The proposed method divides whistle sound into short time intervals and transmits FSK modulated signal that ensures orthogonality of the symbol. Multipath gain can be obtained by using characteristic of mimicked signal frequency that varies with time. To demonstrate the performance of the proposed method, computer simulations and lake experiments were conducted. Computer simulation results show that an additional multipath gain is obtained by multipath. From lake experiments, when symbol length is 20 msec and modulation band is 900 Hz, the proposed FSK method with multipath combining gain obtains BER of 0.002, which is better than CSS (Chirp Spread Spectrum) with BER of 0.185. he proposed based on FSK method has higher imitation degree than the CSS method by analyzing mean cross-correlation value in the time - frequency domain of the imitated signal and actual whistle signal.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Spectrogram of dolphin whistle.
그림 Fig. 2. Dolphin whistle mimicking communication signal spectrogram, (a) large K, (b) small K.
그림 Fig. 3. Dolphin whistle biomimicking communication signal structure.
그림 Fig. 4. Multipath gain combiner.
그림 Fig. 5. Non-coherent FSK demodulator.
그림 Fig. 6. Path combining vs BER gain.
그림 Fig. 7. Channel delay (a) and sound speed profile (b).
그림 Fig. 8. Simulation BER result, (a) 10 msec, (b) 20 msec.
그림 Fig. 9. Lake experiment configuration.
그림 Fig. 10. Received signal spectrogram (a) and time delay spread (b) of Kyungchun lake experiment.
표 Table 1. BER results of Kyugchun lake experiments.
표 Table 2. Correlation coefficient average.

AI 본문요약
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문제 정의

[8]따라서 본 논문에서는 심볼 길이가 심볼 대역의 역수 보다 크거나 같을 경우 심볼 간 내적이 0이 되어 심볼간에 직교성이 보장되는 FSK(Frequency Shift Keying) 기반휘슬 모방 수중통신 방법을 제안한다. 주파수 상에서 빠르게 변화하는 휘슬을 모방한 통신신호는 매심볼의 반송 주파수가 변화하기 때문에 채널지연이 발생할 경우에도 심볼 간 간섭(ISI)이 발생하지 않는다.
주파수 상에서 빠르게 변화하는 휘슬을 모방한 통신신호는 매심볼의 반송 주파수가 변화하기 때문에 채널지연이 발생할 경우에도 심볼 간 간섭(ISI)이 발생하지 않는다. 본 논문에서는 이런 신호의 특징을 이용하여 수신신호 복조 시 채널 지연된 신호를 통해 다중경로를 결합하여 이득을 추가로 얻을 수 있는 방법도 제안한다. 제안된 방법의 성능을 보이기 위해 전산 모의 실험과 실제 호수실험을 하였으며 제안한 방법이 기존의 CSS를 이용한 방법보다 BER성능이 향상되었으며 다중경로에 의한 추가적인 이득을 얻을 수 있음을 보였다.
본 논문은 돌고래 휘슬음을 모방하는 FSK 전송방법과 수신단에서 다중경로 결합 이득을 얻는 방법을 제안하였다. 전산모의 실험에서 제안한 FSK 방법이 기존의 CSS 보다 좋음을 보였고 다중경로 결합 이득으로 20 msec 300 Hz 경우 SNR 25 dB에서 BER이 2배 감소함을 보였다.
이러한 다중경로에 포함된 전송 신호의 정보를 복호 시 이용한다면 통신 성능을 향상시킬 수 있다. 본 절에서는 수중 채널에서 돌고래의 휘슬음이시간에 따라 주파수 변이할 경우 다중경로에 의해 지연된 신호를 이용하여 통신 성능을 향상시키는 다중경로 결합방법을 제안한다.

가설 설정

수신기에서 다중경로로 인한 이득을 분석하기 위해 2-path 채널을 가정하였다. 본 논문에서 제안한 다중경로 이득을 얻는 경우 같은 BER을 얻기 위해 기존 방법 보다 더욱 낮은 SNR이 요구된다.

제안 방법

따라서 fast hopping 신호는 수신신호의 위상정보를 사용하지 않는 noncoherent한 수신기를 사용해야한다. 그러므로 제안된 FSK기반 생체 모방 통신 신호는 non-coherent수신기를 사용한다. 만일 수신단에서 모방된 휘슬음의 시간-주파수 특성 (τ_k, f_k )를 알고 있다면 k번째 심볼을 f_k로부터 기저대역으로 dehopping한 후 일반적인 에너지 검출 방식을 사용하여 복조할 수 있다.
제안된 방법의 성능을 보이기 위해 전산 모의 실험과 실제 호수실험을 하였으며 제안한 방법이 기존의 CSS를 이용한 방법보다 BER성능이 향상되었으며 다중경로에 의한 추가적인 이득을 얻을 수 있음을 보였다. 그리고 생성된 모방 통신 신호와 본래 휘슬음의 시간-주파수 영역에서 평균 상호 상관 값을 통해 제안한 방법의 모방도를 분석 하였다.
경천호에서 실제 호수 실험을 수행하였다. 그리고 생체 모방 신호와 돌고래 휘슬음의 시간주파수영역에서 평균 상호 상관 값을 통해 CSS 기반 생체모방 신호와 제안한 FSK 기반 생체 모방 신호의 모방도를 분석 및 비교하였다.
다음으로 전산 모의 실험을 통해 다중경로 수중채널에서 FSK기반 휘슬 모방 통신 방법과 CSS기반 모방 통신 방법의 BER 과 비교한다. 다중경로가 존재하는 환경에서 CSS기반모방 통신 신호의 수신기는 MC(Matched Correlation)를 이용한다.
8에 나타내었다. 다중경로결합 이득을 얻기 위해 추정된 여러 다중경로 중 크기가 제일 큰 경로 값의 60 % 이상인 크기를 가지는 경로 3개를 선택하여 결합하였다.
돌고래 소리와 유사하며 수중환경에서 통신이 가능하도록 FSK기반 휘슬 모방 통신 신호와 CSS기반휘슬 모방 통신 신호의 심볼 길이를 10 msec, 20 msec로 변조 대역은 300 Hz, 600 Hz, 900 Hz로 설정하였다. 이 신호가 Fig.
은 주어진 수중 채널 환경에서 통신이 가능한 범위 내에서 모방도를 높이기 위해 변조 대역을 작게 설정하는 것이 좋다. 본 논문에서는 모방도 분석을 위해 기존 연구에서 제안된 시간-주파수 영역에서 평균 상호 상관 값을 구한다. ^[2]
위와 같이 생성된 생체모방 FSK 신호를 전송할 때 수신단 동기 및 채널 추정을 위해 preamble을 포함하는 통신 프레임을 설계한다. 이 preamble을 생체모방 통신의 은밀성을 높이기 위해 FSK로 변조된 신호가 아닌 실제 돌고래의 휘슬음과 같은 frequency contour를 가지는 chirp 신호를 사용하면 좋다.
제안한 방식의 FH- FSK 방식 및 다중경로 결합 방식의 BER 성능을 기존 CSS 방식과 비교한다. 전산 모의 실험을 위해 Bellhop 모델을 통해 얻은 해양 채널을 사용하여 다중경로 결합 이득에 대한 성능을 보이고, 이 방법을 이용한 BER 성능 분석 실험을 진행하였다. 경천호에서 실제 호수 실험을 수행하였다.
다중경로가 존재하는 환경에서 CSS기반모방 통신 신호의 수신기는 MC(Matched Correlation)를 이용한다. 제안한 방법의 BER을 구할 때 다중경로 결합 이득 방법을 사용하였다. 다중경로 수중채널은 Bellhop모델을 통해 Fig.

대상 데이터

전산 모의 실험을 위해 Bellhop 모델을 통해 얻은 해양 채널을 사용하여 다중경로 결합 이득에 대한 성능을 보이고, 이 방법을 이용한 BER 성능 분석 실험을 진행하였다. 경천호에서 실제 호수 실험을 수행하였다. 그리고 생체 모방 신호와 돌고래 휘슬음의 시간주파수영역에서 평균 상호 상관 값을 통해 CSS 기반 생체모방 신호와 제안한 FSK 기반 생체 모방 신호의 모방도를 분석 및 비교하였다.
실제 호수 실험은 한국 경천호에서 2018년 5월 28일 진행하였다. 호수실험에서는 제안한 FSK 방법과 CSS의 BER 성능을 비교하였다.
실험에 사용된 샘플링 주파수는 192 kHz이다. 호수 실험에 사용된 FSK기반 휘슬 모방 신호와 CSS기반 휘슬 모방신호의 심볼 길이와 대역은 전산모의 실험에서 사용한 것과 같다.

데이터처리

제안된 FSK 기반 생체 모방 통신 신호와 CSS기반 생체 모방 통신 신호의 모방도를 비교하기 위해 돌고래 신호와 시간-주파수의 평균 상호 상관 값을 구하였다. Table 2에 실험에 사용된 변조 대역과 심볼길이에 따른 평균 상호 상관 값을 나타내었다.
제안한 방식의 FH- FSK 방식 및 다중경로 결합 방식의 BER 성능을 기존 CSS 방식과 비교한다. 전산 모의 실험을 위해 Bellhop 모델을 통해 얻은 해양 채널을 사용하여 다중경로 결합 이득에 대한 성능을 보이고, 이 방법을 이용한 BER 성능 분석 실험을 진행하였다.
실제 호수 실험은 한국 경천호에서 2018년 5월 28일 진행하였다. 호수실험에서는 제안한 FSK 방법과 CSS의 BER 성능을 비교하였다.

이론/모형

다음으로 전산 모의 실험을 통해 다중경로 수중채널에서 FSK기반 휘슬 모방 통신 방법과 CSS기반 모방 통신 방법의 BER 과 비교한다. 다중경로가 존재하는 환경에서 CSS기반모방 통신 신호의 수신기는 MC(Matched Correlation)를 이용한다. 제안한 방법의 BER을 구할 때 다중경로 결합 이득 방법을 사용하였다.

성능/효과

Fig. 7(a) 채널에서 다중경로를 통해 얻을 수 있는 최대 이득 G는 2.6 dB이다. 시뮬레이션 결과 20 msec 300 Hz 경우 SNR 25dB에서 FSK기반 휘슬 모방 통신 신호가 다중경로 결합 이득을 얻어 BER이 0.
[10-12]본 논문에서 사용하는 FSK 기반 생체모방 수신기는 non-coherent 복조를 이용하고 L개의 다중경로에서 얻은 신호의 에너지를 합함으로써 수신 SNR을 증가시키므로 RAKE 수신기의 최대 우도비 결합에 상응하는 효과를 얻을 수 있다. 이와 같은 방법으로 다중경로의 이득을 결합하여 얻을 수 있는 이득은 Eq.
다중경로 결합 이득의 경우 수신 SNR이 낮은 경우 다중경로 지연시간 추정 오차로 인하여 모든 다중경로의 이득을 얻기 어렵기 때문에 BER 이론 값만큼 향상되지 않는다. 그러나 SNR이 높아질수록 추정오차가 적어져서 다중경로 결합 이득으로 인한 BER 성능이 향상됨을 알 수 있다. Fig.
Table 2에서 같은 변조대역과 심볼 길이를 갖는 경우 CSS기반 생체 모방 통신 신호에 비해 FSK 기반 생체 모방 통신 신호가 더 높은 모방도를 갖는 것을 확인할 수 있다. 변조 대역과 심볼 길이가 커지면 돌고래 신호와 다른 시간-주파수 성분을 갖게 되어 평균 상호 상관 값이 낮아지고 모방도가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 그러나 이 경우 신호 전력이 증가하여 BER 성능이 좋아진다.
6 dB이다. 시뮬레이션 결과 20 msec 300 Hz 경우 SNR 25dB에서 FSK기반 휘슬 모방 통신 신호가 다중경로 결합 이득을 얻어 BER이 0.019에서 0.008로 BER 성능이 약2배 향상됨을 보였다.
Table 1의 호수 실험 결과도 심볼간 직교성이 만족하는 FSK 기법의 BER 성능이 CSS 보다 우수하였다. 신호 길이가 20 msec이고 변조 대역이 900 Hz인 경우FSK의 BER은 0.008로 CSS기반 통신 방법에 비해 최대 20배 향상되었다.
전산모의 실험에 사용된 채널보다 실제 호수 실험에서 다중경로 지연이 길고 커서 때문에 더 많은 결합 이득을 얻을 수 있다. 이 방법을 적용한 호수 실험에서 신호 길이가 20 msec이고 변조 대역이 900 Hz인 경우 BER 은 0.002을 얻어서 다중경로 이득을 이용하지 않은 FSK 방법 비해 4배 성능 향상을 보였다.
수신 신호의 SNR이 낮은 경우 다중경로 지연 추정 시 오차가 발생하기 때문에 다중경로 결합 이득이 이론값보다는 낮게 나타났다. 이 실험으로 부터 제안한 다중경로 결합 이득 방법은 FH-FSK 복호 시에 수신 SNR을 향상시킴을 확인할 수 있다.
본 논문은 돌고래 휘슬음을 모방하는 FSK 전송방법과 수신단에서 다중경로 결합 이득을 얻는 방법을 제안하였다. 전산모의 실험에서 제안한 FSK 방법이 기존의 CSS 보다 좋음을 보였고 다중경로 결합 이득으로 20 msec 300 Hz 경우 SNR 25 dB에서 BER이 2배 감소함을 보였다. 호수실험에서도 제안한방법이 기존의 CSS의 BER보다 성능이 좋았고 다중경로 결합이득을 사용할 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 최대 4배의 BER성능이 향상 되고 같은 심볼 대역과 길이에서 더 높은 모방도를 보였다.
본 논문에서는 이런 신호의 특징을 이용하여 수신신호 복조 시 채널 지연된 신호를 통해 다중경로를 결합하여 이득을 추가로 얻을 수 있는 방법도 제안한다. 제안된 방법의 성능을 보이기 위해 전산 모의 실험과 실제 호수실험을 하였으며 제안한 방법이 기존의 CSS를 이용한 방법보다 BER성능이 향상되었으며 다중경로에 의한 추가적인 이득을 얻을 수 있음을 보였다. 그리고 생성된 모방 통신 신호와 본래 휘슬음의 시간-주파수 영역에서 평균 상호 상관 값을 통해 제안한 방법의 모방도를 분석 하였다.
전산모의 실험에서 제안한 FSK 방법이 기존의 CSS 보다 좋음을 보였고 다중경로 결합 이득으로 20 msec 300 Hz 경우 SNR 25 dB에서 BER이 2배 감소함을 보였다. 호수실험에서도 제안한방법이 기존의 CSS의 BER보다 성능이 좋았고 다중경로 결합이득을 사용할 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 최대 4배의 BER성능이 향상 되고 같은 심볼 대역과 길이에서 더 높은 모방도를 보였다.

후속연구

수신기에서 다중경로로 인한 이득을 분석하기 위해 2-path 채널을 가정하였다. 본 논문에서 제안한 다중경로 이득을 얻는 경우 같은 BER을 얻기 위해 기존 방법 보다 더욱 낮은 SNR이 요구된다. 이때 다중경로 이득에 의해 SNR이 감소하는 값을 SNR이득이라 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	돌고래 휘슬음의 특징은 무엇인가?	수중 통신방법 중에서 은밀성을 확보하기 위해 수중 생물의 소리를 모방하여 통신 신호를 생성하는 변조 기법이 연구되고 있다. [1-3] 돌고래들은 의사소통하기 위해 휘슬음(whistle)을 쓰며[4-7], 돌고래 휘슬음은 돌고래에 종의 따라 수백 msec부터 1 s ~ 2 s의 시간 길이와 수십 Hz에서 수백 kHz의 주파수 대역을 갖는 주파수 변조된 특성을 보인다. [4-7] 이런 돌고래의 휘슬음을 CSS(Chirp Spread Spectrum)기반으로 모방한 통신 기법이 연구되었다.
	수중 생물의 소리를 모방하여 통신 신호를 생성하는 변조 기법이 연구되는 이유는 무엇인가?	수중 통신방법 중에서 은밀성을 확보하기 위해 수중 생물의 소리를 모방하여 통신 신호를 생성하는 변조 기법이 연구되고 있다. [1-3] 돌고래들은 의사소통하기 위해 휘슬음(whistle)을 쓰며[4-7], 돌고래 휘슬음은 돌고래에 종의 따라 수백 msec부터 1 s ~ 2 s의 시간 길이와 수십 Hz에서 수백 kHz의 주파수 대역을 갖는 주파수 변조된 특성을 보인다.
	CSS(Chirp Spread Spectrum)기반으로 모방한 통신 기법의 특징은 무엇인가?	[4-7] 이런 돌고래의 휘슬음을 CSS(Chirp Spread Spectrum)기반으로 모방한 통신 기법이 연구되었다. [2] CSS 기반 휘슬 모방 통신 방법은 휘슬음을 짧은 시간구간으로 나누어 심볼을 생성한 뒤 그 구간 내에서 up/down 방향의 chirp 신호를 만들어 전송한다.

참고문헌 (12)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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